“雙碳”背景下非常規(guī)油氣藏CO2壓裂技術(shù)研究進(jìn)展

＊胡小茜 魯守飛 翟亮 武楊青 楊雯欣

（長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院 湖北 430100）

在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上中國(guó)提出將力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”，國(guó)家戰(zhàn)略中的“碳達(dá)峰”是指碳的排放量達(dá)到峰值不再增加，開(kāi)始由增轉(zhuǎn)降；“碳中和”是指碳的排放量和清除量基本達(dá)到平衡，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步將所排放的CO2對(duì)自然環(huán)境的影響降低到凈零程度。CO2的捕集、壓裂、驅(qū)油與埋存是將CO2從工業(yè)或能源生產(chǎn)相關(guān)的氣源中分離出來(lái)，輸送到適宜油田用于增采石油，同時(shí)封存CO2的技術(shù)集合，未來(lái)CO2壓裂技術(shù)通過(guò)配套設(shè)備研發(fā)、工藝優(yōu)化、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)完善等措施必將促使我國(guó)的非常規(guī)油氣綠色高效開(kāi)發(fā)。

1.CO2壓裂技術(shù)特點(diǎn)

我國(guó)擁有豐富的非常規(guī)油氣資源，主要有頁(yè)巖油氣、煤層氣、致密砂巖油氣等。其特征是儲(chǔ)層致密、儲(chǔ)層物性差、油氣井無(wú)自然產(chǎn)能或自然產(chǎn)能非常低，必須通過(guò)壓裂改造等非常規(guī)手段才能獲得油氣。隨著我國(guó)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)力度逐漸地加大，非常規(guī)油氣的占比不斷增加，成為油氣開(kāi)發(fā)的重中之重。CO2壓裂技術(shù)的特點(diǎn)表現(xiàn)在：（1）CO2流動(dòng)性與破巖能力強(qiáng)，可以流入儲(chǔ)層的微裂隙形成更復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，利于溝通儲(chǔ)集層；（2）CO2吸附力更強(qiáng)，可置換出吸附于母巖中的甲烷，提高天然氣產(chǎn)量，并將部分CO2永久埋存；（3）CO2的酸性可以阻止微粒運(yùn)移，抑制粘土膨脹，減少基質(zhì)傷害；（4）CO2具有更高的返排能量，界面張力低，能降低水鎖傷害，返排更迅速?gòu)氐祝唬?）純液態(tài)CO2在汽化后，無(wú)殘?jiān)蜔o(wú)水相，僅支撐劑留存在地層，能避免對(duì)儲(chǔ)層造成傷害。

2.非常規(guī)油氣藏CO2壓裂技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

（1）CO2泡沫壓裂技術(shù)。在CO2泡沫壓裂液體系中，氣相CO2屬于分散相，液相為分散介質(zhì)。液相一般由凍膠、鹽水、活性劑等組成。其中凍膠能增大體系的粘度，活性劑起穩(wěn)定作用，能增強(qiáng)體系的攜砂能力與造縫能力。把CO2與攜砂液同時(shí)注入井口形成泡沫，并用這種泡沫液進(jìn)行攜砂，當(dāng)泡沫質(zhì)量不低于52%時(shí)為泡沫壓裂技術(shù)。與常規(guī)壓裂相比優(yōu)點(diǎn)有：①泡沫具有良好的穩(wěn)定性，泵注壓力相對(duì)較低；②攜砂性較好，黏度較高，造縫能力較強(qiáng)，濾失性較低；③壓裂液適用于低壓低滲、水敏油氣層；④壓裂液能助排、降粘、降阻。CO2泡沫壓裂的缺點(diǎn)是：水基壓裂液用量較少導(dǎo)致施工中提高砂比困難，且施工壓力較高。20世紀(jì)70年代，國(guó)外開(kāi)始了泡沫壓裂液的相關(guān)研究，CawiezelKE等人[1]研制出一種由0.48% HPG+起泡劑+CO2組成的非交聯(lián)型CO2泡沫壓裂液，并成功在加拿大和美國(guó)等油氣田的改造中應(yīng)用；該團(tuán)隊(duì)接著采用羧甲基羥丙基瓜爾膠稠化劑和一種酸性交聯(lián)劑研究了轉(zhuǎn)向交聯(lián)型CO2泡沫壓裂液，在加拿大的淺層氣藏成功應(yīng)用；到21世紀(jì)，泡沫壓裂技術(shù)更是得到大力發(fā)展，2016年國(guó)內(nèi)蘇里格氣田進(jìn)行的CO2泡沫壓裂施工顯示出該技術(shù)對(duì)低滲致密氣藏良好的適應(yīng)性；延長(zhǎng)石油集團(tuán)用小分子表面活性劑形成具有黏彈性的CO2清潔壓裂液，使儲(chǔ)層傷害降到20%以下，成本降低了約15%；楊浩瓏等[2]研發(fā)了WG-2型CO2泡沫雙子表面活性劑清潔壓裂液,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)日產(chǎn)油量是鄰井采用羥丙基胍膠壓裂液的2倍多，增產(chǎn)效果優(yōu)良，表明該壓裂液在非常規(guī)油氣儲(chǔ)層壓裂改造中具有良好的前景。此外國(guó)內(nèi)在泡沫壓裂液方面還有許多學(xué)者專家如宋瑞、李小剛、宋峙潮等[3-4]也在做相關(guān)研究工作。

（2）CO2前置增能壓裂技術(shù)。CO2前置增能壓裂是將液態(tài)CO2作為壓裂前置液，結(jié)合滑溜水、凍膠等水基壓裂液進(jìn)行儲(chǔ)層改造的增產(chǎn)技術(shù)。與常規(guī)水力壓裂相比，具有返排迅速、壓后增能、單井產(chǎn)能高、對(duì)儲(chǔ)層傷害小的優(yōu)勢(shì)，在非常規(guī)油氣藏高效開(kāi)發(fā)中起著重要作用。CO2前置增能壓裂增產(chǎn)機(jī)理為CO2破巖能力強(qiáng)、裂縫形態(tài)復(fù)雜、改造體積大，保護(hù)儲(chǔ)層，增能，置換甲烷等。2004年中原油田進(jìn)行了多次CO2增能壓裂施工，為了提高排液速度使用了分段破膠和裂縫處理等技術(shù)，壓后排液情況與壓裂效果和施工參數(shù)見(jiàn)表1、表2。對(duì)比2003年由于未使用CO2增能技術(shù)的施工情況,發(fā)現(xiàn)應(yīng)用該技術(shù)使排液時(shí)間縮短了近10d，液體返排率升高了近40%，同時(shí)地層污染得到了降低，效果理想。華北分公司對(duì)D1-1-113井成功進(jìn)行CO2前置增能壓裂，證明CO2酸性交聯(lián)壓裂液能適用于鄂北儲(chǔ)層，能降低堿敏和水鎖損害，提高產(chǎn)量。

表2 施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

江在延長(zhǎng)油田優(yōu)化了CO2增能壓裂方案設(shè)計(jì)與施工工藝，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：該技術(shù)能延長(zhǎng)增產(chǎn)時(shí)間，提高返排率，降低地層污染，提高投入產(chǎn)出比，效果優(yōu)良；2021年張朔等[5]為了優(yōu)化儲(chǔ)層壓裂改造效果，在冀東、大港、長(zhǎng)慶油田成功應(yīng)用CO2前置增能壓裂施工，證明該技術(shù)能有效提高儲(chǔ)層改造效率，有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）CO2純干法壓裂技術(shù)。CO2純干法壓裂是一項(xiàng)以純液態(tài)CO2代替常規(guī)水力壓裂液的無(wú)水壓裂技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是增能、增產(chǎn)、儲(chǔ)層傷害小、返排率高、環(huán)境污染小等；缺點(diǎn)是受施工規(guī)模與井深的限制，需要專門(mén)的密閉混砂車(chē)，因此中大規(guī)模的壓裂改造難以應(yīng)用。2014年吉林油田在高凝油井“黑X井”應(yīng)用了CO2干法壓裂技術(shù)，這是我國(guó)第一次應(yīng)用自主研發(fā)的液態(tài)CO2壓裂液體系和大容量密閉混砂車(chē)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表3為CO2純干法壓裂設(shè)備；蘇偉東[6]研究了CO2干法壓裂技術(shù)在蘇里格氣田的應(yīng)用，證明了該工藝對(duì)于致密低滲儲(chǔ)層改造的良好適應(yīng)性；肖博[7]研究了井筒和裂縫內(nèi)溫度壓力場(chǎng)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)注入排量較大時(shí)井底溫度更低，有助于現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工的設(shè)計(jì)。

表3 CO2純干法壓裂設(shè)備

（4）CO2準(zhǔn)干法壓裂技術(shù)。CO2準(zhǔn)干法壓裂技術(shù)是以90%～70%的液態(tài)CO2和10%～30%的水混合后加入增稠劑，將其形成具有一定黏度的混合相液體，再通過(guò)地面高壓泵以較大排量注入，壓開(kāi)地層形成一條動(dòng)態(tài)裂縫，并對(duì)其進(jìn)行加砂充填，施工結(jié)束后為流出的油氣提供一條具有較高滲透性的滲流通道，從而達(dá)到增產(chǎn)改造目的的技術(shù)。與干法壓裂相比，準(zhǔn)干法壓裂的優(yōu)勢(shì)是避免了使用密閉混砂車(chē)，降低了技術(shù)難度，壓裂液造縫攜砂性能好，可滿足大規(guī)模加砂壓裂要求，平均砂比高，更易推廣；缺點(diǎn)是仍要使用一部分水，存在添加劑殘?jiān)蛢?chǔ)層傷害的問(wèn)題。2021年羅成[8]開(kāi)展了準(zhǔn)干法壓裂工作液組成、攜砂性能、耐溫耐剪切性能等方面的研究,在冀東油田南堡5號(hào)構(gòu)造深層致密砂巖氣藏進(jìn)行先導(dǎo)試驗(yàn),結(jié)果表明CO2準(zhǔn)干法壓裂液耐溫耐剪切性能優(yōu)良，能夠充分滿足壓裂造縫、攜砂的要求，還能降低儲(chǔ)層傷害，且CO2注入后能溶蝕巖心中的碳酸鹽類礦物，可以提高巖心滲透性。該井的產(chǎn)量是以往壓裂單井日增油2.5倍，日增氣8.6倍，增產(chǎn)效果顯著提高；劉剛等[9]在延長(zhǎng)油田特低滲氣井成功應(yīng)用常壓混砂準(zhǔn)干法壓裂技術(shù)，結(jié)果顯示天然氣無(wú)阻流量均高于20000m3/d，是相鄰區(qū)塊常規(guī)壓裂產(chǎn)量的2倍，增產(chǎn)效果明顯，為當(dāng)前非常規(guī)油氣的大規(guī)模高效開(kāi)發(fā)提供了新的解決思路。

（5）CO2混合壓裂技術(shù)。CO2混合壓裂技術(shù)是利用液態(tài)CO2易破巖、高造縫的能力進(jìn)行前置純CO2壓裂來(lái)開(kāi)啟微裂縫，增加人工裂縫的復(fù)雜程度與擴(kuò)展方位，接著配合水基攜砂液壓裂擴(kuò)展和支撐裂縫，完成儲(chǔ)層增能和體積改造。該技術(shù)可以有效應(yīng)對(duì)CO2增能壓裂技術(shù)的難點(diǎn)，簡(jiǎn)化了施工流程、降低了成本。混合壓裂技術(shù)在儲(chǔ)層傷害方面介于清水壓裂和凝膠壓裂之間，還可一定程度上減少用水量。在美國(guó)Haynesville頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中，阿納達(dá)科石油公司采用壓裂診斷技術(shù)來(lái)對(duì)比CO2混合壓裂和清水壓裂的效果，發(fā)現(xiàn)采用混合壓裂可明顯增長(zhǎng)裂縫，提高裂縫影響范圍；延長(zhǎng)石油成功在鄂爾多斯盆地陸相頁(yè)巖應(yīng)用CO2混合壓裂技術(shù)，發(fā)現(xiàn)高于純滑溜水壓裂的返排率，且排液周期大幅縮短。賈光亮[10]開(kāi)展了超臨界CO2作為前置液、液態(tài)CO2和雙極性壓裂液的混合復(fù)合液作為攜砂液，成功進(jìn)行了復(fù)合干法壓裂試驗(yàn)：該井水平主應(yīng)力差值為10.6MPa，而常規(guī)水基壓裂液在裂縫遠(yuǎn)端凈壓力維持率較低，難以克服應(yīng)力差，不易形成復(fù)雜縫網(wǎng)，采用CO2復(fù)合干法壓裂技術(shù)能有效補(bǔ)充地層能量、促進(jìn)返排、減少水敏與水鎖傷害。且在該體系中CO2不易從流體中逸出，能夠長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。故應(yīng)用該技術(shù)比應(yīng)用常規(guī)壓裂液體系取得了更好的效果: 儲(chǔ)層傷害小、破巖能力強(qiáng)、易返排；此外還有李強(qiáng)[11]等在混合壓裂液方面也做了相關(guān)研究工作，他們?yōu)閼?yīng)對(duì)傳統(tǒng)頁(yè)巖油氣滑溜水壓裂液污染的問(wèn)題與油基壓裂液成本高的問(wèn)題，形成了基本配方為質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%混合烴+0.70%膠凝劑+0.80%復(fù)合交聯(lián)劑+0.50%破膠劑的無(wú)水低碳烴壓裂液體系。該體系的壓裂液具有優(yōu)良的抗溫抗剪切性和破膠能力。

3.CO2壓裂技術(shù)應(yīng)用難點(diǎn)及發(fā)展方向

（1）液態(tài)CO2高效減阻劑的研究。液態(tài)CO2是牛頓流體，摩阻較高，排量增加會(huì)使摩阻迅速增大，壓裂液的摩阻直接影響施工的成敗，而水溶液中的超高分子量聚合物減阻劑對(duì)液態(tài)CO2的減阻效果不佳，CO2泡沫壓裂液常用的減阻劑同樣也不適用，因此還需研發(fā)高效的液態(tài)CO2減阻劑。

（2）提高液態(tài)CO2的粘度與攜砂性。液態(tài)CO2粘度低不利于壓裂造縫是導(dǎo)致加砂量得不到提高的主要原因，國(guó)外主要采用表面活性劑和聚合物協(xié)同提粘，但成本較高，國(guó)內(nèi)主要采用添加高效聚合物類增稠劑，未來(lái)可以從尋找一種小粒徑、低密度、高強(qiáng)度支撐劑的思路來(lái)解決低粘攜砂液的需求。

（3）現(xiàn)場(chǎng)冷泵過(guò)程中的排空。CO2液體的物性受溫度及壓力影響較大，在現(xiàn)場(chǎng)CO2干法壓裂施工中，要注意CO2結(jié)干冰和走空泵，一旦管線中間一部分壓降太快結(jié)干冰，就會(huì)形成局部的高壓，對(duì)人及設(shè)備都有較大的危害。而當(dāng)液態(tài)CO2在地面管線流動(dòng)過(guò)程中吸收熱量或者壓力降低導(dǎo)致氣化，那么氣體進(jìn)入主壓車(chē)泵腔中就會(huì)使主壓車(chē)走空泵導(dǎo)致失敗。故冷泵操作時(shí)，從停泵到打開(kāi)井口必須迅速，避免液體氣化。在外循環(huán)時(shí)，由于先停主壓車(chē)后關(guān)主壓車(chē)后的放空旋塞，此階段壓力會(huì)相應(yīng)地降低，液體氣化導(dǎo)致在壓裂過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)主壓車(chē)走空泵的現(xiàn)象。因此，如何安全有效的進(jìn)行氣體排空是壓裂現(xiàn)場(chǎng)的一大難點(diǎn)。

4.結(jié)論

（1）CO2泡沫壓裂液相比水力壓裂具有諸多優(yōu)勢(shì)，但仍需要使用大量的水，無(wú)法解決儲(chǔ)層傷害的問(wèn)題，且具有一定的施工難度；

（2）CO2前置增能壓裂、準(zhǔn)干法壓裂和混合壓裂現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方便，施工成本較低，增產(chǎn)效果明顯，但CO2前置增能壓裂存在入井工作液利用率低問(wèn)題，CO2準(zhǔn)干法壓裂存在儲(chǔ)層傷害和添加劑殘?jiān)膯?wèn)題；

（3）CO2純干法壓裂沒(méi)有水鎖導(dǎo)致的儲(chǔ)層傷害問(wèn)題，增產(chǎn)效果十分明顯，但CO2摩阻大，攜砂能力差，使用減阻增稠劑，研發(fā)小粒徑、超低密度、高強(qiáng)度支撐劑可以解決該問(wèn)題；

（4）CO2壓裂技術(shù)具有水基壓裂無(wú)法比擬的低傷害、復(fù)雜縫網(wǎng)、增能、降黏和置換甲烷等優(yōu)勢(shì)，在非常規(guī)油氣藏中應(yīng)用能大幅提高油氣產(chǎn)量。在雙碳背景下CO2壓裂技術(shù)必將得到持續(xù)、高效、快速發(fā)展。